降雨特性對合流制排水區(qū)域雨水溢流過程的影響

降雨特性對合流制排水區(qū)域雨水溢流過程的影響

隨著點源污染的有效控制，日處理系統(tǒng)的日處理流量已成為上海中心城市河流的主要水源。為了控制合流制排水系統(tǒng)雨天溢流污染,美國環(huán)保局(EPA)率先開展了雨水徑流污染的調查研究,隨后國外學者對此進行了廣泛的研究和探討,積累了大量的實測數據,為工程性控制措施的應用提供了依據,而我國在該領域鮮有研究報道。筆者通過對具有代表性排水系統(tǒng)JXB的考察,研究了上海中心城區(qū)合流制排水系統(tǒng)雨天污染物溢流的出流過程和污染物事件平均濃度,并探討了溢流污染物的初期效應,以期為我國城市面源污染的研究和控制提供參考。1水樣的采集與測定以上海市中心城區(qū)某截流式合流制排水系統(tǒng)JXB為研究對象,該區(qū)域的基本情況以及由航拍圖統(tǒng)計的下墊面情況見表1。該區(qū)域以居民區(qū)為主,居住條件較差,很多建筑為使用超過30年的陳舊房屋。此外,該區(qū)域內還有兩處相對集中的商業(yè)街區(qū)。由于地面高程低,污水截流輸送與雨天溢流都由水泵提升,因此該區(qū)域排水系統(tǒng)作為中心城區(qū)典型的合流制排水系統(tǒng)具有代表性。樣品的采集主要由人工在該系統(tǒng)的泵站前池進行。自溢流開始到結束,按一定時間間隔采集水質過程線樣品,并放入1L的水樣瓶中。采集后的水樣瓶儲存于4℃的冰柜中以待分析,水樣檢測分析時,化學需氧量采用DR/2010型COD測定儀測定,其他水質指標均按國家標準方法測定。區(qū)域雨量數據以及泵站的流量數據由泵站SCADA系統(tǒng)獲得。SCADA系統(tǒng)每5min采集一次信號,經RTU傳輸到上海市城市排水公司的控制室。從累積降雨量和降雨時間可計算得出相應時段的降雨強度;泵站排江泵的啟、閉信號也由SCADA系統(tǒng)同步采集,再根據各臺水泵的銘牌流量和運行時間計算得到各時段溢流過程的總流量。2結果與討論2.1旱流污水cod濃度和ss濃度JXB系統(tǒng)的截流式合流制泵站運行方式分為晴天和降雨兩種模式,根據泵站前池水位的高低來控制截流泵和排江泵的啟閉。圖1給出了實測泵站旱流污水污染物濃度的變化過程。從圖1可以看出,泵站旱流污水的COD濃度主要為100～250mg/L,SS為250～350mg/L。SS濃度相對較高主要是由于上海市管道系統(tǒng)的坡度較小,系統(tǒng)采取高水位運行管理模式,從而使旱流污水中的顆粒物在管道中具有顯著的沉積趨勢。雖然JXB系統(tǒng)配備了3臺流量為0.3m3/s的污水泵對旱流污水進行截流輸送,但由于該區(qū)域服務面積較小,一般情況下污水泵采取間歇方式運行,致使開泵初期污水對管道內沉積物的沖刷作用增強,而采樣時間常在每次開泵后不久,故JXB系統(tǒng)旱流污水的SS實測濃度偏大。2.2降雨特性對排江污水污染物的影響圖2、3給出了JXB區(qū)域兩種典型降雨情況下溢流過程的水質變化。其中圖2所示的排江事件累積降雨量為11.8mm,降雨歷時為50min,累積降雨量雖不大但比較集中;圖3所示的降雨雨量為43.1mm,歷時為7.5h;在此之前僅下過雨量為2.4mm的小雨,地面與管道中的污染物累積較多。由圖2可知,此次排江過程污染物濃度較高,排江結束時COD、BOD5、SS分別為400、150、600mg/L,大大超過JXB系統(tǒng)的旱流污水濃度,其相應的污染物平均濃度分別為528、180、883mg/L。發(fā)生這種最不利情況是由降雨特性所導致的:一開始降雨強度較大、排江迅速,致使截流設施難以發(fā)揮作用;但整場降雨累積雨量不大,直到排江結束時,地面和管道中累積的污染物仍未被完全沖刷干凈,因此排江過程中污染物濃度居高不下。從圖3可以看出,整個排江過程中污染物濃度較低,COD、BOD5、SS和NH3-N的事件平均濃度分別為113、30、40、9.3mg/L,降雨結束時COD為59mg/L、BOD5為17mg/L、SS為30mg/L、NH3-N為9.9mg/L。出現這種情況的原因是該次降雨歷時較長,從前一天的晚19:30便開始下小雨,直到第二天凌晨6:00才開始有比較集中的降雨,但降雨強度不大。JXB系統(tǒng)服務區(qū)域比較小,在很短的時間內徑流便已經抵達系統(tǒng)前池,初期污染較重的徑流被截流泵輸送到污水管道中,待到發(fā)生溢流排江時,水質已經大為好轉。因此,此次排江雨(污)水的污染物平均濃度明顯優(yōu)于旱流污水。比較圖2、3可知,降雨特性對排江水質的影響主要體現在以下兩方面:①短時集中降雨特別是前峰雨,對合流制溢流污染的控制最不利;②連續(xù)的中、低強度降雨特別是后峰雨,有利于截流系統(tǒng)攔截大部分的地面以及管道的污染負荷。2.3主要污染物中的降雨特性由于同一場降雨過程中污染物濃度變化很大,因此用事件平均濃度(EMC,整個溢流過程的流量加權平均濃度)能夠更好地表征降雨事件的污染特征。表2給出了JXB系統(tǒng)7次溢流事件主要污染物的EMC以及相應的降雨特性。根據表2可得出各污染物EMC的常用統(tǒng)計值,結果見表3。將表3的統(tǒng)計值與國外相應的研究結果進行比較可知,JXB區(qū)域雨天溢流COD、BOD5污染物的EMC中值濃度與德國合流制溢流的調查結果接近,NH3-N濃度則是該調查結果的4～5倍,而SS濃度卻低于該調查結果。與韓國的研究結果相比,SS濃度也明顯偏小。這主要是由于JXB系統(tǒng)在旱流期間,大流量污水泵采取間歇方式運行,污水泵的頻繁啟閉使得污水對管道內沉積物的沖刷作用增強,從而大大削減了該系統(tǒng)雨天溢流發(fā)生時SS的濃度。2.4污染物初期效應初期效應是指在一場降雨中,初期雨(污)水攜帶了這場降雨所產生的大部分污染負荷。初期效應存在與否涉及調蓄池等城市面源污染控制設施的規(guī)模與投資,因此具有重要的研究意義。采用Saget和Bertrand提出的b參數法對JXB系統(tǒng)溢流污染物的初期效應進行分析:b值越小,溢流污染物的初期效應越強烈,反之則越弱。按Saget和Bertrand提出的30/80標準計算得到的參數b為0.185,據此可計算得出25/30、30/30、30/25和80/30標準對應的b值及相應初期效應的判斷(見表4)。表5給出了JXB系統(tǒng)污染物初期效應的b參數和R2范圍。由表5可知,R2大多都在0.9以上,說明數據的相關性較好。另外結合表4還可看出,b≤0.185的情況一次都未發(fā)生。這說明按比較嚴格的30/80標準來看,JXB系統(tǒng)不存在初期效應現象。參照表4分別統(tǒng)計代表不同降雨事件在各區(qū)域中的比例,結果見表6。由表6可知,JXB系統(tǒng)排江污染物在第1、2區(qū)所占比例最高,說明該系統(tǒng)排江污染物的初期效應較為顯著。這是由于JXB系統(tǒng)中管道沉積物相對較少,受地表徑流污染物濃度的影響相對較大,在前峰雨型下就容易發(fā)生初期效應。另外,該系統(tǒng)的服務面積相對較小(只有42hm2),服務區(qū)域的徑流系數又較高,致使污染物的高峰濃度出現在流量高峰之前,更容易發(fā)生初期效應。這與國外的研究結果一致。此外,由表6還可以看出,COD和BOD5的初期效應要比SS的初期效應明顯,這主要是由于溶解性或較輕的有機顆粒更容易在初期被溶解、沖刷而排出。3降雨溢流對截流設施的影響①對污染物溢流過程分析可知,降雨特性對溢流水質的影響較大:短時集中降雨特別是前峰雨,對合流制溢流污染的控制最不利;而連續(xù)的中、低強度降雨特別是后